Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия

ATHENE и UNICORN были призваны изучать высокоэнергетические нейтрино, обладающие энергией выше миллиарда или триллиона электрон-вольт. ATHENE концентрировалась на атмосферных нейтрино, а UNI–CORN – на самом интересном рубеже науки: на ускорителях космических частиц в глубоком космосе. Иными словами, это фактически был телескоп. Единственное серьезное различие между этими двумя концепциями было связано с размером. UNICORN был больше и, таким образом, более чувствительным, и именно его концепция могла со временем развиться в инструменты типа DUMAND, AMANDA и IceCube.

Первопроходцы DUMAND тут же осознали масштаб возможной проблемы: согласно их расчетам, чтобы увидеть объекты за пределами нашей галактики, UNICORN должен был включать как минимум кубический километр воды. Однако идея тем не менее была крайне интересной. «Посвященные начали сходиться теснее»

.

* * *

Событие, которое теперь принято считать основополагающей встречей в области нейтринной астрономии, произошло в Гонолулу в сентябре 1976 года, когда ученые из США, Японии, Швейцарии, Германии и СССР собрались на летний семинар, организованный Гавайским университетом.

Все три «мифологические» концепции были к тому времени пересмотрены и уточнены. UNDINE, концепция для изучения низких энергий, была реализована в виде конструкции в духе Грейзена: оболочка из тесно прижатых друг к другу оптических детекторов, внутри которых помещается емкость с водой. В качестве стандартного прибора для ультрачувствительного детектирования света использовался фотоумножитель, или «фотоэлемент», способный при правильных условиях выявить даже одиночный фотон. Однако подобные устройства довольно дороги – каждое из них в комплекте с необходимой электроникой стоит до 3000 долларов; соответственно, на создание большого инструмента оболочкового типа потребовалось бы очень много денег. К примеру, одна из нынешних реинкарнаций UNDINE – это Super-K, детектор Супер-Камиоканде, расположенный глубоко в цинковой шахте в Японских Альпах. Super-K содержит «всего» 50 000 тонн очищенной воды, то есть его мощность в 20 тысяч раз меньше той, которая необходима для обнаружения сверхновой в скоплении Девы. Тем не менее, чтобы покрыть стенки даже такой емкости, потребовалось 13 000 фотоэлементов, иными словами, на одни лишь фотоэлементы ушло 40 миллионов долларов. Простой расчет показывает, что если бы вы захотели создать инструмент оболочкового типа, способный разглядеть что-то в кластере в скоплении Девы – иными словами, весящий 100 миллионов тонн, – то вам потребовалось бы около 2 миллионов фотоэлементов общей стоимостью около 6 миллиардов долларов.

ATHENE и UNICORN воплотились в пудинговых конструкциях наподобие марковского инструмента, в котором зона обнаружения заполнена сеткой из фотоэлементов. Поскольку такая конструкция требует меньше детекторов на единицу объема, она стоит меньше, чем вариант Грейзена. Кроме того, ее показатели разрешения выше, поэтому она лучше подходит для телескопа.

Конструкция UNDINE была слишком большой и практически не давала шансов найти сверхновую звезду в течение срока жизни хоть кого-то из участников гавайского семинара, поэтому эту идею отвергли. По словам Артура Робертса, «UNDINE вернулась в свою темную и уединенную обитель, а другие участники обрели любовь и приязнь со стороны ученых»

. Поиск победителя был недолгим, а дальнейшая работа с ним оказалась необычайно плодотворной.

Научное наследие гавайского семинара проявляется в наши дни в многочисленных экспериментах по всему миру, которые уже привели к вручению двух Нобелевских премий. Однако, пожалуй, наиболее значительное наследие – это огромная сеть связей между людьми и странами. Присутствие на семинаре советских ученых имело особое значение. В заключительной резолюции участники семинара заявили о своем коллективном видении DUMAND как средства,

в наибольшей степени подходящего для сотрудничества заинтересованных ученых со всего мира в мирных научных исследованиях.

И все это происходило, несмотря на присутствие в кулуарах семинара множества шпионов с обеих сторон железного занавеса. Из-за того, что ученые отказались принимать их всерьез, их присутствие лишь укрепило ощущение международного товарищества. Джон Лёрнд вспоминает забавную историю с участием советского теоретика и большого эрудита Вениамина Березинского:

Там, как это обычно бывает на собраниях такого рода, присутствовали люди, присматривавшие за происходящим, – и из СССР, и из ВМФ США. Веня руководил работой одной из сессий. Наличие русского председателя было важным. Он говорил на довольно хорошем английском, умел читать по-английски, знал англоязычную литературу и так далее. Очевидно, что его уровень культурного развития был намного выше, чем у сопровождавшего его партаппаратчика.

В какой-то момент перед первым заседанием Веня встает и говорит [имитируя русский акцент]: «Теперь у вас есть русский председатель, и потому заседание начнется вовремя. И помните: Большой Брат следит за вами!» Мы все так и ахнули: «Что-о-о?!» Позже мы отводим его в сторону и спрашиваем: «Веня, откуда ты знаешь эту фразу?», а он: «Ну, я читал Оруэлла, откуда же еще?» Мы спрашиваем: «Что, это книгу можно купить в России!?», а он: «Конечно же, нет!» Так что все это было очень весело. И понятно, что рядом с нами постоянно торчал парень из КГБ, который все фотографировал, и тому подобное.

С американской стороны на встрече присутствовали Питер Котцер с компанией. Примерно в то же время Фред Рейнес, переместившийся из университета Кейса в только что основанный кампус Ирвайн Калифорнийского университета, предложил Джону Лёрнду место приглашенного ученого в своей группе. Нейтринная астрономия начала делать свои первые шаги.

Дружба, зародившаяся на Гавайях, укрепилась в последующие годы благодаря еще нескольким подобным собраниям. Они проводились в Институте океанографии Скриппс в Ла-Холье, штат Калифорния, и в Москве, где русские проявили очень сильный интерес к сотрудничеству и предложили «несколько тысяч фотоэлементов для DUMAND»

. Для закупки такого объема оборудования на Западе пришлось бы потратить около 10 миллионов долларов.

Институт ядерных исследований Академии наук СССР с начала 1960-х вел свою собственную программу выявления природных нейтрино, а во главе его стоял не кто иной, как Моисей Марков, один из руководителей Академии. В СССР уже имелось два детектора нейтрино, работавших в вольфрамовой шахте в Баксанской долине на Северном Кавказе. Первый использовал принципы, предложенные Кованом и Рейнесом, а второй – радиохимический метод Понтекорво и Дэвиса

. В 1977 году Марков возглавил международное совещание по вопросам нейтрино в горной лаборатории. Во время этой конференции Джон Лёрнд и Дейв Шрамм предприняли не разрешенную властями (и безуспешную) попытку покорить Эльбрус – высочайшую вершину Европы (впрочем, позвольте мне не вдаваться в детали этого происшествия).

Однако самая примечательная из этих первых встреч прошла в 1979 году на Дальнем Востоке СССР. Место было выбрано неслучайно и в каком-то смысле являлось антитезой Гавайским островам: на советском Дальнем Востоке можно было найти и воду, и лед.

Впервые об этом задумался Александр Чудаков, советский ученый, осознавший в 1950-е годы весь научный потенциал подводных черенковских детекторов. Вскоре после возвращения с Гавайев он предложил разместить телескоп марковского типа в водах озера Байкал – крупнейшего, глубочайшего и, возможно, древнейшего пресноводного озера в мире.

Байкал лежит в рифтовой зоне у Евразийского тектонического плато, сформировавшейся около 25 миллионов лет назад. Он имеет форму полумесяца. Его длина чуть меньше 650 км, средняя ширина – 80 км. В некоторых местах глубина озера достигает 1600 м. Байкал содержит около 20 % всей жидкой пресной воды на Земле, и в нем сохраняется уникальное разнообразие водной жизни, которое вряд ли можно встретить в каком-либо другом озере в мире. К примеру, в Байкале живет единственный в мире вид пресноводных тюленей. В 1996 году ООН присвоила Байкалу статус охраняемого объекта всемирного наследия – такой же, как у Гранд-Каньона в США и у австралийского Большого Барьерного Рифа.

Что касается требований нейтринного телескопа, то тут нужно сказать, что воды Байкала исключительно прозрачны и чисты, а его поверхность зимой замерзает. Судя по всему, Чудаков первым понял, что такое сезонное покрытие может обеспечить удобную естественную платформу для размещения на дне озера нейтринного телескопа. Для принятых в России методов научной работы всегда были характерны подобный прагматизм и внимание к деталям.

В 1979 году Тихоокеанский научный конгресс, проводившийся еще с 1920-х годов и привлекавший специалистов из различных дисциплин, проходил в Хабаровске, втором по размеру городе Восточной Сибири. Сначала участники DUMAND присоединились ко всем остальным гостям, а затем переместились более чем на 1500 км к северо-западу, чтобы провести свое собственное собрание на Байкале.

С точки зрения внешнего наблюдателя на этом собрании происходило серьезное столкновение культур. Советские ученые вели себя в высшей степени формально и тщательно соблюдали иерархию, а американцы, особенно участники собрания, подчеркнуто демонстрировали эгалитарность. Тем не менее участники смогли преодолеть все культурные различия, и все прошло хорошо. Советскую делегацию возглавлял Моисей Марков, которому к тому времени было уже за семьдесят. Он считался одним из самых знаменитых ученых СССР. Помимо того, что он был заслуженным членом Академии наук СССР, он также занимал в ней пост академика-секретаря Отделения ядерной физики, которое руководило всей деятельностью по изучению ускорителей и космических лучей в СССР. Американцы же не видели необходимости в лидере – пока не узнали, что им нужен официальный глава делегации для въезда в Советский Союз. Они попросили Лёрнда занять эту должность, и тот согласился:

В те дни я ходил в джинсах и джинсовой куртке Levi’s. Мои волосы были собраны в хвост, у меня была борода, то есть я был очень похож на революционера. А тут меня встречает приятный пожилой джентльмен [Марков] – седой и превосходно одетый. Я тут же подумал: «Ой-ой-ой, мы с ним вряд ли столкуемся…» Впрочем, он оказался и в самом деле очень милым и приятным и не обратил на мою расхлябанность никакого внимания.

Джон выражал свое несогласие с принятыми в советской системе классовыми перегородками путем различных демонстраций. Например, он предпочитал передвигаться по городу в маршрутных автобусах «с простыми людьми», вместо того чтобы кататься с Марковым в его лимузине. На это Марков отреагировал с грацией, тактом и, возможно, даже с долей признательности.

У Маркова было два помощника, занимавшихся нейтринной астрономией, оба теоретики (мне рассказывали, что они совсем не ладили друг с другом). Первым был его прежний аспирант, Игорь Железных, написавший в конце 1950-х знаменитую докторскую диссертацию и славившийся своей легендарной рассеянностью. Вторым был Григорий Домогацкий, намного более собранный человек, руководивший байкальским проектом.

Домогацкий был единственным ученым в известной, образованной, большой и богатой семье, большинство представителей которой занималось различными видами искусства. Этот трезвомыслящий и разумный человек в свое время настоял на том, чтобы его стол в московском институте поставили не в отдельном кабинете, а в огромной комнате, где работали аспиранты и кандидаты наук. По его словам, это давало ему возможность не терять контакта с «реальной» физикой. Именно Домогацкий встретил усталых членов западной делегации, когда поздно ночью они вернулись в Хабаровск, после обычных задержек в пути. Лёрнд рассказывает:

Он был одним из тех, кто может закурить сигарету с фильтра, понимаете? Кожаная куртка и общий образ советского бандита – как его представляет весь мир. Мы встретились с ним в гостинице, почти в полной темноте. Он обошел нас и вручил каждому пачку рублей на текущие расходы, поскольку в те дни официально поменять доллары на местную валюту было довольно сложно. Это выглядело очень странно – необычный русский персонаж, выдающий американцам деньги под покровом ночи.

Физики отлично провели время в Хабаровске – в вечеринках не было недостатка. А когда они переехали к озеру, им представился шанс повеселиться за счет Питера Котцера, которого все подозревали в шпионаже и который явился на Байкал без приглашения. Лёрнд вспоминает:

Русские спросили: «Что нам делать? Можем ли мы разрешить ему выступать?» Я ответил: «Можете, конечно, но лично я на его выступление не пойду». Поэтому они забронировали экскурсию на озеро на катере на то же время, что и выступление Питера. Мы поехали на озеро и напились там водки. Экипаж тоже напился, посадил катер на мель, а потом еще и врезался в пирс, когда причаливал, и… в общем, произошло много чего.

Еще одна из неприятных привычек Котцера заключалась в том, что он добавлял имена других ученых к своим собственным предложениям о проведении исследований, не говоря им об этом заранее. Со временем он был с позором изгнан из научного сообщества.

Наука, подпитывавшаяся дружескими чувствами и немалой толикой алкоголя, активно развивалась. В 1979 году союз нескольких учреждений из США, Японии, Германии и Швейцарии представил успешное предложение Министерству энергетики США, и в первый день 1980 года в Гавайском университете был основан Гавайский центр DUMAND. Джон Лёрнд и Артур Робертс переехали в Гонолулу, чтобы полностью посвятить себя работе над проектом, и Джон занял должность технического директора.

По стечению обстоятельств Фрэнсис Халзен тоже приехал в Гонолулу летом 1980 года, чтобы поработать над одной проблемой, связанной с кварками, с коллегой-теоретиком по имени Сандип Пакваса. В городе были и другие нынешние и бывшие работники Мэдисона, конечно же, Лёрнд и Уго Камерини, приехавшие работать на DUMAND. Во время регулярных обедов в их компании Фрэнсис начал узнавать об активно развивавшейся области нейтринной астрономии. Тогда он все еще считал своей профессией физику частиц. По его словам, в те дни космическими лучами не стал бы заниматься ни один уважающий себя физик – специалист по частицам. Однако подобные оттенки самоуважения не особенно его интересовали. Он уже немного погружался в эту область в прошлом, работая с Дейвом Клайном, а теперь решил серьезно ей заняться. Хотя тогда он этого и не осознавал, но для подобной смены отношения к космическим лучам была своя причина – и эта причина была более или менее прямым следствием его поездки на Гавайи.

Кафедра физики Гавайского университета изыскала творческий способ профинансировать поездку Фрэнсиса. Коллеги попросили его заняться формальным преподаванием на «фальшивых» еженедельных семинарах, на которых не предполагалось чьего-либо присутствия. Идея ему понравилась, однако, когда он появился на первом занятии, оказалось, что «там присутствует вся кафедра. Я задумался: „И что теперь делать?“»

Решив пойти по пути наименьшего сопротивления, то есть заняться работой, он принялся за внимательное изучение текущего состояния физики элементарных частиц. Оказалось, что объем работы был намного больше, чем он предполагал. Занимаясь подготовкой к лекциям, Фрэнсис понял, что сейчас критически важный момент развития области, и многие открытия последних десятилетий возникали настолько быстро одно за другим, что у ученых, занимавшихся физикой частиц, не было никакой возможности внимательно с ними ознакомиться и использовать в собственной работе.

Я решил объединить в единую систему ряд проблем, известных в наши дни под названием стандартной модели. Понятно, что не я изобрел стандартную модель, но оказалось, что этой работой до сих пор никто не занялся.

Вернувшись в Висконсин, Фрэнсис продолжил свои лекции, предназначенные в основном для сотрудников кафедры. Затем он узнал, что один из его давних соратников, Алан Мартин из британского Дарнэма, тем же летом читал тот же курс, причем, на взгляд самого Фрэнсиса, намного успешнее, чем он сам. Двое ученых встретились и написали учебник с названием Quarks and Leptons, который и сейчас, через 35 лет, остается самым популярным введением в квантовую механику в курсах физики по всему миру. Книга была переведена на многие языки.

Интересно, что у книги не было обновленных переизданий, и в этом звучит ясное послание: печальная истина состоит в том, что с момента ее написания в физике частиц не произошло никакого существенного развития. К моменту публикации книги все частицы, предсказанные стандартной моделью, за исключением одной (бозона Хиггса), уже были открыты.

Халзен и Мартин завершили работу над рукописью в Дарнэме незадолго до Рождества 1982 года. Затем Фрэнсис отправился в Бельгию, чтобы провести праздник со своей семьей. Рукопись лежала рядом с ним на пассажирском сиденье его «фольксвагена сирокко». После праздника он полетел в Японию, чтобы помочь с запуском программы для аспирантов Токийского университета, а когда он сошел с самолета, ему сообщили, что Карло Руббиа, Дейву Клайну и их коллегам в ЦЕРН удалось открыть W- и Z-бозоны – переносчики слабого взаимодействия (Халзен, Мартин и Вернон Баргер проделали важную феноменологическую работу, позволившую совершить это открытие, и Руббиа признал их вклад в своей нобелевской лекции

).

W и Z были последними из еще не открытых к тому моменту частиц в стандартной модели, за исключением бозона Хиггса, но они – а также частица Хиггса – уже были описаны в учебнике.

Таким образом, в начале 1983 года, больше трех десятилетий назад, физики, работавшие с ускорителями, поняли, что вступают в своего рода пустыню: единственным возможным открытием на горизонте была частица Хиггса, но для ее открытия требовался намного более мощный ускоритель – и намного более дорогой, – чем тот, благодаря которому Руббиа принес ЦЕРН первую Нобелевскую премию. Между сообществами физиков США и Европы начала ощущаться нездоровая конкуренция. Американцы начали проектировать Сверхпроводящий суперколлайдер (программа, которая в конце концов завершилась дырой в техасской прерии, в которую ухнули два миллиарда долларов). А европейцы во главе с прославившимся теперь Руббиа начали строительство Большого адронного коллайдера. По изначальному плану Руббиа строительство должно было завершиться в 1991 году, но коллайдер начал свою работу лишь с двадцатилетним опозданием.

За 30 с лишним лет, прошедших с момента открытия частиц W/Z, сообщество, занимавшееся физикой частиц, отчаянно искало экспериментальные свидетельства для любого развития физики за пределами стандартной модели. Самые очевидные надежды были связаны с суперсимметрией, предполагавшей наличие тяжелых «братьев» и «сестер» для каждой частицы в модели, а также теорией струн, вряд ли способной на какие-либо экспериментальные прогнозы. Руббиа, Клайн и их друзья занимались поисками суперсимметричной частицы уже в начале 1980-х, в процессе изучения W и Z (можно даже сказать, что их больше интересовала суперсимметрия, чем частицы, которые они в итоге нашли), – однако эти поиски не увенчались успехом

. Поэтому в наши дни ученым, управляющим Большим адронным коллайдером, остается разводить руками. Основную надежду им, как и их предшественникам 30 с лишним лет назад, приходится возлагать на суперсимметрию.

Хотя открытие частицы Хиггса в 2012 году и стало огромным триумфом, на момент написания этой книги деятельность БАК и данные, которые получают с его помощью, не сулят нам никаких новых сюрпризов. Все происходящее соответствует стандартной модели. Как писал Гэри Тобес, автор книги Nobel Dreams, в 1986 году,

если в этой пустыне нет никакой жизни, никаких новых частиц, то вряд ли у нас появится больше свидетельств, на базе которых мы могли бы выстроить новые теории. Прогресс завершится. Стандартная модель останется стандартной еще на долгие годы.

Как я уже указал в первой главе этой книги, на данный момент был вскрыт всего один замок на сундуке стандартной модели – замок, связанный с поведением нейтрино. Более того, он был открыт не на ускорителе, а с помощью подземного грейзеновского детектора нейтрино и UNDINE. Чуть позже я расскажу об этом подробнее.

* * *